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20 分钟

使用 CD4060B 和 STM32F410RB 实现水中溶解性总固体(TDS)的精确测量

基于 TDS 测量的水质监测解决方案

TDS Click with Nucleo 64 with STM32F410RB MCU

已发布 4月 28, 2025

点击板

TDS Click

开发板

Nucleo 64 with STM32F410RB MCU

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

STM32F410RB

提供适用于水培系统和过滤系统的理想水质数据

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

TDS Click 旨在测量水中的总溶解固体(TDS)含量,从而为水质提供可靠的评估依据。测量过程从通过板载顶部连接器连接外部 TDS 水质检测探头开始。该探头用于检测水中溶解固体的浓度,这是一项评估水纯度的重要参数。核心电路采用了来自德州仪器的 CD4060B,它负责生成驱动 TDS 探头所需的时钟信号。该振荡器电路在 +3.0V 和 -3.0V 的双电源电压下运行,为后续的信号处理阶段提供必要的条件。电压调节由另外两个器件完成:U4(LP2985AIM5-3.0)从选定的 mikroBUS™ 电源轨(通过 VCC SEL 跳线选择)输出稳定的 +3.0V 电压,U5(ADM8829)则对该 3.0V 电压进行反向变换,生成 -3.0V 电源。这

两个电压用于为信号调理链中的运算放大器供电。信号的主要调理与放大由德州仪器的 LMV324 完成,这是一款轨到轨运算放大器。首先,运放的一个通道用于放大振荡器信号,以提供足够的驱动能力供连接的 TDS 探头使用。随后,从探头获取的信号会依次经过 LMV324 的多个阶段,每一阶段都完成特定功能,以便最终输出可用于测量的电压信号。各级放大电路用于缓冲或进一步放大探头输入的弱信号,然后进行整流,将交流信号转换为正向直流波形。经过滤波后,得到的稳定直流电压能够准确反映被测水样的 TDS 浓度。最终处理后的信号被引至 ADC SEL 跳线,用户可以根据需求选择模拟输出或数字输出模式。若选择

模拟输出,可通过 mikroBUS™ 的 AN 引脚直接读取信号。若需数字转换,板载集成了来自 Microchip 的 MCP3221,这是一个具备 12 位分辨率的模数转换器,可通过标准的 2 线 I2C 接口与主控 MCU 通信。用户只需通过板载 ADC SEL 表面贴装跳线即可轻松在模拟(AN)与数字(ADC)输出模式间切换。此外,该 Click board™ 支持 3.3V 与 5V 逻辑电平,可通过 VCC SEL 跳线选择逻辑电压,确保与不同主控平台的兼容性。此板还配备了驱动库和使用示例代码,可作为二次开发的参考。

TDS Click hardware overview image

功能概述

开发板

Nucleo-64 搭载 STM32F410RB MCU 提供了一种经济高效且灵活的平台,供开发者探索新想法并原型设计他们的项目。该板利用 STM32 微控制器的多功能性,使用户能够为他们的项目选择最佳的性能与功耗平衡。它配备了 LQFP64 封装的 STM32 微控制器,并包含了如用户 LED(同时作为 ARDUINO® 信号)、用户和复位按钮,以及 32.768kHz 晶体振荡器用于精确的计时操作等基本组件。Nucleo-64 板设计考虑到扩展性和灵活性,它特有的 ARDUINO® Uno

V3 扩展连接器和 ST morpho 扩展引脚头,提供了对 STM32 I/O 的完全访问,以实现全面的项目整合。电源供应选项灵活,支持 ST-LINK USB VBUS 或外部电源,确保在各种开发环境中的适应性。该板还配备了一个具有 USB 重枚举功能的板载 ST-LINK 调试器/编程器,简化了编程和调试过程。此外,该板设计旨在简化高级开发,它的外部 SMPS 为 Vcore 逻辑供电提供高效支持,支持 USB 设备全速或 USB SNK/UFP 全速,并内置加密功能,提升了项目的功效

和安全性。通过外部 SMPS 实验的专用连接器、 用于  ST-LINK 的 USB 连接器以及 MIPI® 调试连接器,提供了更多的硬件接口和实验可能性。开发者将通过 STM32Cube MCU Package 提供的全面免费软件库和示例得到广泛支持。这些,加上与多种集成开发环境(IDE)的兼容性,包括 IAR Embedded Workbench®、MDK-ARM 和 STM32CubeIDE,确保了流畅且高效的开发体验,使用户能够充分利用 Nucleo-64 板在他们的项目中的能力。

Nucleo 64 with STM32C031C6 MCU double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

default

建筑

ARM Cortex-M4

MCU 内存 (KB)

128

硅供应商

STMicroelectronics

引脚数

64

RAM (字节)

32768

你完善了我!

配件

Click Shield for Nucleo-64 配备了两个专有的 mikroBUS™ 插座,使得所有的 Click board™ 设备都可以轻松地与 STM32 Nucleo-64 开发板连接。这样,Mikroe 允许其用户从不断增长的 Click boards™ 范围中添加任何功能,如 WiFi、GSM、GPS、蓝牙、ZigBee、环境传感器、LED、语音识别、电机控制、运动传感器等。您可以使用超过 1537 个 Click boards™,这些 Click boards™ 可以堆叠和集成。STM32 Nucleo-64 开发板基于 64 引脚封装的微控制器,采用 32 位 MCU,配备 ARM Cortex M4 处理器,运行速度为 84MHz,具有 512Kb Flash 和 96KB SRAM,分为两个区域,顶部区域代表 ST-Link/V2 调试器和编程器,而底部区域是一个实际的开发板。通过 USB 连接方便地控制和供电这些板子,以便直接对 Nucleo-64 开发板进行编程和高效调试,其中还需要额外的 USB 线连接到板子上的 USB 迷你接口。大多数 STM32 微控制器引脚都连接到了板子左右边缘的 IO 引脚上,然后连接到两个现有的 mikroBUS™ 插座上。该 Click Shield 还有几个开关,用于选择 mikroBUS™ 插座上模拟信号的逻辑电平和 mikroBUS™ 插座本身的逻辑电压电平。此外,用户还可以通过现有的双向电平转换器,使用任何 Click board™,无论 Click board™ 是否在 3.3V 或 5V 逻辑电压电平下运行。一旦将 STM32 Nucleo-64 开发板与我们的 Click Shield for Nucleo-64 连接,您就可以访问数百个工作于 3.3V 或 5V 逻辑电压电平的 Click boards™。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image

水质传感器 – TDS 水质检测探头专为测量水中总溶解固体(TDS)含量而设计,可可靠反映水的纯净度。该探头适用于 TDS 测量电路,通过检测水中电导率的变化,间接反映溶解物质的浓度。它支持宽范围输入电压(3.3V 至 5V),并输出 0V 至 2.3V 的模拟电压,兼容大多数微控制器平台。该传感器非常适合用于纯净水质量监测、滤水系统故障诊断和水培系统等应用。其封闭式设计有效防止泄漏,具备快速可靠的安装方式和较长的使用寿命,是进行实时水质监测的实用解决方案。

TDS Click accessories 1 image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

Analog Output
PC0
AN
NC
NC
RST
ID COMM
PB12
CS
NC
NC
SCK
NC
NC
MISO
NC
NC
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
NC
NC
PWM
NC
NC
INT
NC
NC
TX
NC
NC
RX
I2C Clock
PB8
SCL
I2C Data
PB9
SDA
NC
NC
5V
Ground
GND
GND
1

“仔细看看!”

Click board™ 原理图

TDS Click Schematic schematic

一步一步来

项目组装

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly

从选择您的开发板和Click板™开始。以Nucleo 64 with STM32F410RB MCU作为您的开发板开始。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly
Nucleo 64 with STM32F401RE MCU front image hardware assembly
LTE IoT 5 Click front image hardware assembly
Prog-cut hardware assembly
LTE IoT 5 Click complete accessories setup image hardware assembly
Board mapper by product8 hardware assembly
Necto image step 2 hardware assembly
Necto image step 3 hardware assembly
Necto image step 4 hardware assembly
Necto image step 5 hardware assembly
Necto image step 6 hardware assembly
Clicker 4 for STM32F4 HA MCU Step hardware assembly
Necto No Display image step 8 hardware assembly
Necto image step 9 hardware assembly
Necto image step 10 hardware assembly
Debug Image Necto Step hardware assembly

软件支持

库描述

TDS Click 演示应用程序使用 NECTO Studio开发,确保与 mikroSDK 的开源库和工具兼容。该演示设计为即插即用,可与所有具有 mikroBUS™ 插座的 开发板、入门板和 mikromedia 板完全兼容,用于快速实现和测试。

示例描述
本示例演示了 TDS Click 板的使用方法,该板用于测量水中的总溶解固体(TDS)含量。应用程序初始化 TDS Click 板,建立通信,并持续读取以百万分之一(ppm)为单位的 TDS 值。

关键功能:

  • tds_cfg_setup - 初始化 Click 配置结构体为初始值。

  • tds_init - 初始化使用该 Click 板所需的所有引脚和外设。

  • tds_set_vref - 为 TDS Click 驱动器设置电压参考值。

  • tds_read_voltage_avg - 读取所需数量的 ADC 采样并计算平均电压值。

  • tds_read_ppm - 读取 TDS 测量值,单位为 ppm。

应用初始化
初始化日志记录器并配置 TDS Click 板。通过 ADC 或 I2C 建立通信,验证是否正确初始化,并使设备准备好进行测量。

应用任务
持续从传感器读取 TDS 值,并以 ppm(百万分之一)为单位记录日志。

开源

代码示例

完整的应用程序代码和一个现成的项目可以通过NECTO Studio包管理器直接安装到NECTO Studio 应用程序代码也可以在MIKROE的GitHub账户中找到。

/*!
 * @file main.c
 * @brief TDS Click Example.
 *
 * # Description
 * This example demonstrates the usage of the TDS Click board, which measures the Total 
 * Dissolved Solids (TDS) in water. The application initializes the TDS Click board, 
 * establishes communication, and continuously reads the TDS value in parts per million (ppm).
 *
 * The demo application is composed of two sections:
 *
 * ## Application Init
 * Initializes the logger and configures the TDS Click board. It sets up communication 
 * using either ADC or I2C, verifies proper initialization, and prepares the device 
 * for measurement.
 *
 * ## Application Task
 * Continuously reads the TDS value from the sensor and logs it in ppm (parts per million).
 *
 * @note
 * Ensure a proper TDS probe is attached to the Click board for accurate measurements.
 *
 * @author Stefan Filipovic
 *
 */

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "tds.h"

static tds_t tds;       /**< TDS Click driver object. */
static log_t logger;    /**< Logger object. */

void application_init ( void )
{
    log_cfg_t log_cfg;  /**< Logger config object. */
    tds_cfg_t tds_cfg;  /**< Click config object. */

    /** 
     * Logger initialization.
     * Default baud rate: 115200
     * Default log level: LOG_LEVEL_DEBUG
     * @note If USB_UART_RX and USB_UART_TX 
     * are defined as HAL_PIN_NC, you will 
     * need to define them manually for log to work. 
     * See @b LOG_MAP_USB_UART macro definition for detailed explanation.
     */
    LOG_MAP_USB_UART( log_cfg );
    log_init( &logger, &log_cfg );
    log_info( &logger, " Application Init " );

    // Click initialization.
    tds_cfg_setup( &tds_cfg );
    TDS_MAP_MIKROBUS( tds_cfg, MIKROBUS_1 );
    err_t init_flag = tds_init( &tds, &tds_cfg );
    if ( ( ADC_ERROR == init_flag ) || ( I2C_MASTER_ERROR == init_flag ) )
    {
        log_error( &logger, " Communication init." );
        for ( ; ; );
    }
    
    log_info( &logger, " Application Task " );
}

void application_task ( void ) 
{
    float tds_ppm = 0;
    if ( TDS_OK == tds_read_ppm ( &tds, &tds_ppm ) ) 
    {
        log_printf( &logger, " TDS Value : %.1f ppm\r\n\n", tds_ppm );
        Delay_ms ( 1000 );
    }
}

int main ( void ) 
{
    /* Do not remove this line or clock might not be set correctly. */
    #ifdef PREINIT_SUPPORTED
    preinit();
    #endif
    
    application_init( );
    
    for ( ; ; ) 
    {
        application_task( );
    }

    return 0;
}

// ------------------------------------------------------------------------ END

额外支持

资源

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